Penyelidik di Universiti McGill telah memperoleh pandangan baru mengenai cara kerja perovskites, a Semikonduktor bahan yang menunjukkan janji besar untuk membuat sel suria dengan kecekapan tinggi, kos rendah dan pelbagai peranti optik dan elektronik lain.
Perovskites telah menarik perhatian selama dekad yang lalu kerana kemampuan mereka bertindak sebagai semikonduktor walaupun terdapat kecacatan pada struktur kristal bahan tersebut. Ini menjadikan perovskites istimewa kerana kebanyakan semikonduktor yang lain berfungsi dengan baik memerlukan teknik pembuatan yang ketat dan mahal untuk menghasilkan kristal yang mungkin bebas dari kecacatan. Sejauh mana penemuan keadaan baru, pasukan McGill telah membuat langkah maju untuk membuka misteri bagaimana perovskites melakukan muslihat ini.
"Secara sejarah, orang ramai telah menggunakan semikonduktor pukal yang merupakan kristal sempurna. Dan kini, secara tiba-tiba, kristal lembut yang tidak sempurna ini mula berfungsi semikonduktor aplikasi, daripada fotovoltaik kepada LED, "jelas pengarang kanan Patanjali Kambhampati, seorang profesor bersekutu di Jabatan Kimia di McGill. "Itulah titik permulaan untuk penyelidikan kami: Bagaimanakah sesuatu yang rosak boleh berfungsi dengan cara yang sempurna?"
Titik kuantum, tetapi tidak seperti yang kita ketahui
Para penyelidik mendedahkan bahawa fenomena yang dikenali sebagai pengurungan kuantum berlaku dalam kristal perovskite pukal. Hingga kini, pengurungan kuantum hanya dapat dilihat dalam zarah-zarah berukuran beberapa nanometer — titik-titik kuantum ketenaran TV skrin rata menjadi salah satu contoh yang sangat disukai. Apabila zarah sekecil ini, dimensi fizikalnya mengekang pergerakan elektron dengan cara yang memberikan zarah yang berbeza sifatnya daripada kepingan yang lebih besar dari bahan yang sama — sifat yang dapat diselaraskan untuk menghasilkan kesan yang berguna seperti pancaran cahaya di warna tepat.
Dengan menggunakan teknik yang dikenali sebagai spektroskopi pam / probe yang diselesaikan negara, para penyelidik telah menunjukkan jenis pengurungan yang serupa berlaku pada kristal perovskite plumbum cesium plak pukal. Dengan kata lain, eksperimen mereka telah menemui tingkah laku seperti titik kuantum yang berlaku dalam potongan perovskite yang jauh lebih besar daripada titik kuantum.
Hasil yang mengejutkan membawa kepada penemuan yang tidak dijangka
Karya ini berdasarkan penyelidikan terdahulu yang membuktikan bahawa perovskites nampaknya bahan padat pada mata kasar, mempunyai ciri-ciri tertentu yang lebih sering dikaitkan dengan cecair. Di tengah-tengah dualitas cecair-pepejal ini adalah kisi atom yang dapat memutarbelitkan sebagai tindak balas kepada kehadiran elektron bebas. Kambhampati membuat perbandingan dengan trampolin yang menyerap hentakan batu yang dilemparkan ke pusatnya. Sama seperti trampolin pada akhirnya akan membawa batu terhenti, penyimpangan kisi kristal perovskite - fenomena yang dikenali sebagai pembentukan polaron - difahami mempunyai kesan penstabilan pada elektron.
Walaupun analogi trampolin menunjukkan penurunan tenaga secara beransur-ansur dengan sistem yang bergerak dari keadaan teruja kembali ke keadaan yang lebih stabil, data spektroskopi pam / probe sebenarnya menunjukkan sebaliknya. Yang mengejutkan para penyelidik, pengukuran mereka menunjukkan peningkatan tenaga secara keseluruhan selepas pembentukan polaron.
"Fakta bahawa tenaga dinaikkan menunjukkan kesan mekanik kuantum baru, pengurungan kuantum seperti titik kuantum," kata Kambhampati, menjelaskan bahawa, pada skala ukuran elektron, batu di trampolin adalah exciton, pasangan terikat dari elektron dengan ruang yang ditinggalkannya ketika berada dalam keadaan teruja.
"Apa yang dilakukan polaron adalah mengurung segala-galanya ke dalam wilayah yang ditentukan secara spasial. Salah satu perkara yang dapat ditunjukkan oleh kumpulan kami bahawa polaron bercampur dengan exciton untuk membentuk apa yang kelihatan seperti kuantum noktah. Dari satu segi, ia seperti titik kuantum cecair, yang merupakan sesuatu yang kita sebut sebagai penurunan kuantum. Kami berharap bahawa meneroka tingkah laku penurunan kuantum ini akan menghasilkan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana merekayasa bahan optoelektronik toleran kecacatan. "